ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.11.2019
Просмотров: 1650
Скачиваний: 1
Для определённых типов ЯЭУ существуют жёсткие ограничения по некоторым
физическим свойствам конструкционного материала. Так, материалы активной зоны реакторов на тепловых нейтронах должны иметь минимальное сечение захвата тепловых нейтронов. Материалы рабочей камеры и бланкета термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы должны иметь высокие значения удельного электросопротивления (для исключения шунтирования плазмы) и магнитной проницаемости (для исключения искажения магнитного поля реактора).
Механические свойства
Механические свойства определяют термомеханическое поведение элементов конструкции активной зоны и корпуса реактора, т.е. определяют конструктивную прочность и в значительной степени работоспособность и живучесть материалов, долговечность и надёжность элементов конструкции. Таким предельным состоянием материала может быть разрушение, потеря формы или размера, потеря устойчивости, износ, накопление внутренних дефектов.
Надёжность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.
Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации).
Живучесть – способность материала работать в повреждённом состоянии после образования трещины.
Работоспособность конструктивных элементов ЯЭУ определяется эксплуатационными условиями: временными зависимостями и значениями напряжений, деформаций и температур, наличием излучений и агрессивной среды. В случае растягивающих (сжимающих) нагрузок работоспособность материала определяется пределом прочности на разрыв и запасом прочности. При длительной эксплуатации при достаточно высоких температурах, например, выше 200оС для сплавов циркония, 350оС для углеродистой стали и 450оС для коррозионно-стойкой стали, материал будет деформироваться при напряжениях, меньших предела текучести (вследствие ползучести). При режимах эксплуатации материала, связанных с цикличностью механических нагрузок, работоспособность будет зависеть от циклической прочности, важной характеристикой которой является предел выносливости материала. Основной характеристикой материала, описывающее его сопротивление усталости, является предел выносливости, представляющий собой наибольшее циклическое напряжение, выдерживаемое материалом неограниченное число раз (обычно 107 раз). Для расчёта сопротивления материалов пластической деформации
требуется знание таких параметров, как предел прочности и текучести, ползучести и длительной прочности. Оценка устойчивости требует знания модуля нормальной упругости материала. При расчёте на прочность при длительной эксплуатации в условиях высоких температур необходимо знание пределов ползучести и длительной прочности материала в условиях близких к эксплуатационным.
Физико-механические свойства
Физико-химические свойства конструкционных материалов – это совокупность свойств, характеризующих степень химического взаимодействия материалов с окружающей технической средой ЯЭУ, т.е. с теплоносителями (водой, газами, жидкими металлами, солями металлов и др.), с контактирующими материалами (ядерным топливом и др.). Практический интерес представляет совместимость, т.е. степень химического взаимодействия конструкционного материала со всеми его окружающими материалами.
Материалы считаются совместимыми в конкретных температурно-временных условиях, если химическое взаимодействие между ними отсутствует или настолько мало, что не изменяет заметно состав, структуру и свойства конструкционного материала. Задача обеспечения совместимости материалов ЯЭУ является комплексной, так как зависит не только от видов материалов, но и от конструкторского решения тех или иных элементов (узлов) реактора, их назначения и режимов работы. Например, материал оболочки ТВЭЛа ВВЭР снаружи омывается смесью воды и пара, а изнутри контактирует с ядерным топливом и продуктами деления топлива.
При оценке совместимости конструкционного материала с теплоносителем и
газообразного продуктами деления топлива необходимо контролировать скорость передвижения коррозионного фронта: vк – должна быть не более 10-2 мм/год; глубину повреждённого коррозией слоя: hк должна быть менее 1 мм; величину слоя конструкционного материала растворённого в теплоносителе: tк< 1 мм.
При формулировании требований к физико-химическим свойствам конструкционного
материала необходимо помнить, что облучение материалов ускоряет коррозию и поэтому
радиационная коррозия несколько выше коррозии окислительной (растворительной). В ряде
случаев может происходить резкое повышение скорости коррозии – коррозионный срыв
вследствие его механизма. Например, такое возможно при изменении окислительного механизма на гидридообразующий при взаимодействии циркония с водой (Tp>360oC), коррозионно-стойкой стали с натрием при повышенном содержании в теплоносителе и стали кислорода (Tp>650oC).
Материалы конструктивных элементов ЯЭУ
Тепловыделяющие элементы. Конструкционные материалы ТВЭЛов реакторов на тепловых нейтронах должны обеспечить: минимальное искажение нейтронного поля; простоту конструкции и низкую стоимость оболочки; надёжную работу в течение всего периода расчётной компании; запланированное выгорание топлива без искажения размеров, формы и разрушения (разгерметизации оболочки); возможность переработки ядерного топлива. Это возможно при условии, что материал оболочки будет иметь минимальное сечение поглощения нейтронов, достаточное сопротивление коррозии всех видов и эрозии при контакте с движущимся теплоносителем, высокие значения физико-механических и теплофизических свойств и их сохранение в эксплуатационных условиях.
Опыт эксплуатации реакторов с водяными теплоносителями и анализ аварий на АЭС показывают, что для обеспечения безопасности ядерного реактора необходима высокая работоспособность ТВЭЛов. Повышение работоспособности предполагает предотвращение гидрирования, исключение радиационного роста и прогиба оболочек ТВЭЛа, устранение фреттинг-коррозии и износа, подавление физико-химического взаимодействия топлива и оболочки, приводящего к коррозионному растрескиванию её под напряжением.
Особое место в вопросах безопасности АЭС занимает изучение поведения оболочек ТВЭЛов при потере водяного теплоносителя. Классический случай такой аварии, связанной с потерей теплоносителя из активной зоны из-за большого разрыва оборудования первого контура, находящегося под давлением, включая трубопровод с двусторонним истечением теплоносителя при работе реактора на номинальной мощности, известен за рубежом как авария типа LOKA (Loss of Coolant Accident). При отсутствии потока теплоносителя оболочка ТВЭЛа разогревается и окисляется. Температура топлива повышается, при этом выделяются дополнительные газообразные продукты. В результате внутреннее давление газов в ТВЭЛе увеличивается до тех пор, пока оболочка не начнёт локально вспучиваться. Это приводит к значительной её деформации. После срабатывания аварийной защиты и подачи холодного теплоносителя оболочка ТВЭЛа испытает термический удар. Повреждения могут быть самыми различными и весьма серьёзными.
Обычно аварийная система АЭС проектируется таким образом, чтобы обеспечить
сохранение целостности оболочки. Для этого необходимо обеспечить следующие предельно допустимые параметры оболочки ТВЭЛа (например, циркониевой): 1) максимальная температура оболочки ТВЭЛа не должна превышать 1204оС; 2) максимальное окисление оболочки не должно охватывать более 17% общей толщины оболочки; 3) общее количество водорода, выделяющееся при химической реакции металла оболочки с водой и паром по реакции:
Zr + nH2O→ZrOn + nH2↑ + 6280 кДж/кгZr
Не должна превышать 1% количества водорода, которое выделилось бы, если бы весь металл оболочки ТВЭЛа по длине топливного сердечника вступил в реакцию; кроме того,
накладываются ограничения на параметры охлаждения активной зоны.
Существуют и определённые требования к ТВЭЛу как конструкции. ТВЭЛ должен
содержать минимальное количество конструкционного материала. Не допускается локальный перегрев участков ТВЭЛа вследствие неравномерного энерговыделения. Должно соблюдаться соответствие объёмного содержания ядерного топлива, материалов для воспроизводства ядерного топлива, материалов для выгорающих поглотителей и конструкционных материалов количеству теплоносителя и замедлителя в активной зоне реактора.
Материалы оболочки ТВЭЛов ядерных реакторов должны обладать термической и
радиационной стабильностью, конструктивной прочностью и коррозионной стойкостью.
Корпус водо-водяного реактора. Корпуса водо-водяных реакторов должны обладать
исключительной надёжностью для обеспечения безопасной работы реактора в течение заданного срока (около 30 лет). Поэтому наиболее важным требованием к свойствам материала корпуса является прочность при соответствующем запасе пластичности в реакторных условиях. Необходимо обеспечить гарантированное исключение хладноломкости стали, например, в условиях аварийного расхолаживания реактора или гидравлических испытаний, некатастрофическое ухудшение характеристик вязкости под действием нейтронного облучения.
Корпус ядерного реактора типа ВВЭР имеет внушительные размеры, массу и толщину стенок (Табл. 3). Поэтому очень важно качество изготовления корпуса и крышки реактора, надёжность и долговечность работы которых в значительной степени определяются технологией производства и обработки материала, т.е. его технологичностью.
Табл.3. Основные характеристики корпусов ВВЭР.
Изготовление корпуса ВВЭР осуществимо только в заводских условиях. Для изготовления корпуса отливаются несколько слитков из качественной электростали (перлитная сталь). Заливка стали в изложницы производится в вакуумной камере. Ковка заготовок осуществляется на прессе методом свободной ковки. Полученные заготовки проходят отжиг, после чего поступают на механическую переработку. Изготовленные элементы корпуса укрупняются сваркой в промежуточные блоки, на внутренние поверхности которых наплавляется антикоррозионный слой из аустенитной высоколегированной стали. Все сварные соединения и наплавки проходят радиографический контроль, ультразвуковую дефектоскопию и другие виды контроля. Изготовленный корпус подвергается гидроиспытаниям, тщательному контролю сварных швов.
Совершенствование конструкционных материалов ЯЭУ
Требования к свойствам конструкционных материалов можно разделить на две группы. Первая группа – это требования собственно к свойствам, обусловленным природой того или иного материала, например, физическим, механическим, химическим, технологическим и др. Некоторые из этих свойств зависят от структуры, элементного состава и фазового состояния. Вторая группа требований к материалам представляет собой перечень факторов (например, радиационная и коррозионная стойкость), определяющих работоспособность материалов в конкретных условиях. Эти требования являются комплексными. Например, требование высокой радиационной стойкости материала означает сохранение в условиях облучения достаточной пластичности и вязкости разрушения, прочности и длительной прочность. Но это же требование означает ограничение в допустимых пределах вакансионного распухания, радиационного роста или наведённой активности, т.е. новых явлений, обусловленных возникновением в материале
радиационных дефектов. Радиационная и коррозионная стойкость конструкционного материала, как и его свойства, также определяется кристаллической структурой, элементным и фазовым составом сплава. Следовательно, через воздействие на структуру, элементный и фазовый состав возможно изменение многих свойств материала. Разработка конструкционного материала представляет собой сложный процесс, важным элементом которого является направленное изменение элементного состава, фазового состояния и структуры в объёме материала и в его приповерхностном слое и обеспечение стабильности сформированного структурно-фазового состояния в эксплуатационных условиях.
Основным фактором является работоспособность элемента. Например, основные свойства нагруженной конструкции – это всегда прочностные свойства, т.е. комплекс свойств, характеризующих конструктивную прочность в конкретных временных, температурных и силовых условиях. Чаще всего этими свойствами являются длительные прочность (ползучесть) и пластичность в неизотермических и нестационарных условиях, сохраняющие свои значения на допустимом уровне в условиях получения и коррозионного взаимодействия. Для реактора на тепловых нейтронах одним из основных свойств является ядерно-физическое сечение захвата нейтронов. Ограничивающие факторы определяют те свойства, которые влияют на технико- экономические показатели ЯЭУ, но не являются определяющими работоспособность материала. К таким свойствам относят технологичность, стоимость, удельную прочность, вакуумно- технологические свойства, совместимость металлов и др. ограничивающие факторы определяют направления оптимизации выбора материала.
Составной частью процесса создания ТВЭЛа являются этапы выбора материалов топлива и оболочки, анализ из свойств во вне и внутриреакторных условиях, оценка совместимости (химической и физической) оболочки с топливом. Борьба с нестабильностью микроструктуры материала – это замедление кинетики процесса перехода структуры в более стабильное состояние (сопровождаемое ухудшением свойств) путём комбинирования термической обработки и деформации.
Выбор состава материала
Конструкционные материалы современных ЯЭУ представляют собой сложные,
многокомпонентные сплавы различных элементов. Эти сплавы содержат один или несколько элементов, определяющих основные свойства материала, составляющих его основу, и ряд лигирующих элементов, придающих основе недостающие эксплуатационные характеристики. В связи с этим процесс разработки материала методологически можно расчленить на два относительно самостоятельных этапа: выбор основы и выбор комплекса легирующих элементов.
Выбор основы сплава – одна из относительно простых задач в цепи разработки материала, так её решение в большинстве случаев связано с анализом осуществлённых в практике разработок и достижений материаловедения. Выбор основы сплава это и оптимизационная задача, при решении которой достижение основного рабочего свойства сочетается с разумным ограничениями по стоимости, технологичности и другими свойствами материала, т.е. изыскивается оптимальный вариант.